龐菊梅 ,王樹(shù)芳 ,孫彩霞 ,高小榮 ,劉久榮

(1.首都師范大學(xué),北京 100048;2.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),北京 100195; 3.陜西綠源地?zé)崮茉撮_(kāi)發(fā)有限公司,咸陽(yáng) 712000.;4.中國(guó)石化集團(tuán)新星石油公司,北京 100083)

0 概述

地?zé)崮苁且环N清潔的綠色能源.回灌是保證地?zé)嵯到y(tǒng)可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用的有效措施,示蹤試驗(yàn)常與回灌試驗(yàn)一起進(jìn)行,用來(lái)研究回灌井與生產(chǎn)井之間的水力聯(lián)系、可能的導(dǎo)水通道,以及定量化研究地下水系統(tǒng)中的流體流速問(wèn)題.雄縣地區(qū)地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)利用已有三十多年的歷史,本次在回灌試驗(yàn)的同時(shí)實(shí)施了示蹤試驗(yàn).本文對(duì)示蹤試驗(yàn)進(jìn)行分析,對(duì)示蹤劑回收的濃度及峰值的出現(xiàn)時(shí)間進(jìn)行了模擬分析,并且運(yùn)用水平裂隙介質(zhì)模型對(duì)長(zhǎng)期回灌可能引起的熱儲(chǔ)冷卻進(jìn)行了預(yù)測(cè),為回灌井和生產(chǎn)井的合理井間距的選擇,提供一定的依據(jù).

1 研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件概況

河北省雄縣地?zé)崽镂挥谂ｑ勬?zhèn)地?zé)崽锏奈髂喜?在華北平原的北部,全區(qū)524km2皆賦存地?zé)豳Y源.雄縣區(qū)域地?zé)衢_(kāi)發(fā)主要是新近系砂巖孔隙熱儲(chǔ)和基巖巖溶裂隙熱儲(chǔ).

1.1 地質(zhì)條件概況

雄縣及其周邊地區(qū)的地層包括新生界第四系、新近系和古近系,古生界奧陶系和寒武系,中上元古界青白口系和薊縣系以及古生界.其中新生界隨牛駝鎮(zhèn)凸起和凹陷的分布呈批蓋式沉積,第四系松散層和新近系砂巖、礫巖和泥巖近乎水平,古近系砂巖、礫巖和泥巖傾角平緩.下伏地層為白堊系、侏羅系、二疊系、石炭系、奧陶系、寒武系、青白口系、薊縣系和長(zhǎng)城系,以及太古界變質(zhì)巖[1].

圖1 雄縣地區(qū)基巖地質(zhì)圖

對(duì)雄縣范圍具有重要影響的斷裂構(gòu)造主要有牛東斷裂、大興斷裂、容城斷裂、牛南斷裂和雄縣西斷裂(圖1).其中,前四者形成于燕山運(yùn)動(dòng)晚期,在喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)早期活動(dòng)加劇,是長(zhǎng)期活動(dòng)性斷裂,根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料,推斷NE向斷裂由壓性轉(zhuǎn)變?yōu)閺埿?NE向斷層為張性.其它斷裂一般規(guī)模較小,對(duì)第三系的沉積不起控制作用[1].

1.2 地?zé)岬刭|(zhì)條件概況

雄縣地?zé)崽锉徽J(rèn)為是一個(gè)有共同熱源的地質(zhì)綜合體[2],關(guān)于地?zé)嵘w層、導(dǎo)水通道和熱儲(chǔ)信息的簡(jiǎn)單概念模型描述如下:

(1)熱儲(chǔ)蓋層

雄縣范圍內(nèi)第四紀(jì)地層構(gòu)成了地?zé)嵯到y(tǒng)的良好的蓋層.熱儲(chǔ)蓋層的平均厚度變化在380～470m,巖性主要以粘性土為主,夾有部分砂層,水交替條件比較差.粘土具有較高的孔隙度,但是滲透率非常小(10-1mDarcy).粘土的熱導(dǎo)率為1.7～2.3W/mK,小于雄縣熱儲(chǔ)的平均熱導(dǎo)率[2].因此,熱導(dǎo)性和滲透性的狀況不利于在第四系和更深的地層之間傳導(dǎo)熱能或形成熱對(duì)流,從而第四系為深部的砂巖和白云巖熱儲(chǔ)形成了良好的熱儲(chǔ)蓋層.

(2)熱儲(chǔ)

雄縣地?zé)崽锓秶鷥?nèi)普遍存在第三系熱儲(chǔ).其中,在牛駝鎮(zhèn)凸起部分僅存在薊縣系熱儲(chǔ),其埋藏深度在950m～1050m之間,是雄縣地?zé)嵯到y(tǒng)開(kāi)發(fā)利用的主要熱儲(chǔ)層.而在牛駝鎮(zhèn)凸起以東,雖然第三系下伏地層為奧陶系和寒武系灰?guī)r,但因埋藏深度大于5000m,目前不具備開(kāi)采條件[1].

(3)導(dǎo)水通道

雄縣地?zé)嵯到y(tǒng)基巖中的斷裂和次生斷裂構(gòu)成了地?zé)崴闹饕獙?dǎo)水通道.

2 示蹤試驗(yàn)及示蹤劑回收的假設(shè)模擬

示蹤試驗(yàn)是回灌工程研究中很重要的方面之一,通常與回灌試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行,來(lái)研究回灌井和生產(chǎn)井之間的水力聯(lián)系、導(dǎo)水通道,定量化研究地下水系統(tǒng)中的流體流速問(wèn)題,并且預(yù)測(cè)回灌引起的開(kāi)采井冷卻的可能性.如果在示蹤試驗(yàn)中,示蹤劑快速的、大量的被檢測(cè)出來(lái),則意味著快速的、強(qiáng)烈的熱突破發(fā)生的可能性較大[3].

2.1 示蹤試驗(yàn)概述

雄縣地?zé)崽锎舜问聚櫾囼?yàn)開(kāi)始于2010年1月26日,是在回灌試驗(yàn)進(jìn)行了一段時(shí)間之后,熱儲(chǔ)系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下進(jìn)行的.本次試驗(yàn)中選取的地?zé)峋挥谛劭h縣城北部地區(qū),開(kāi)采利用的熱儲(chǔ)均為薊縣系霧迷山組巖溶裂隙熱儲(chǔ).示蹤試驗(yàn)期間,選取回灌井0902周?chē)牧硗?口生產(chǎn)井0901、0801、0704、0703和0307作為觀(guān)測(cè)井進(jìn)行取樣分析,其具體位置如圖2所示.5個(gè)觀(guān)測(cè)井距離回灌井的距離從350m到2km.

圖2 示蹤試驗(yàn)井位分布圖

本次示蹤試驗(yàn)選擇氟苯甲酸作為示蹤劑,總共22kg的氟苯甲酸被一次性注入到回灌井中.示蹤劑的檢測(cè)方法是氣相色譜質(zhì)譜技術(shù)(GCMS),檢測(cè)的下限濃度為40ng/L.注入示蹤劑之后,從觀(guān)測(cè)井中采集水樣,檢測(cè)示蹤劑隨時(shí)間的回收濃度.

回灌試驗(yàn)于2010年3月18日結(jié)束,在此期間,沒(méi)有從生產(chǎn)井和觀(guān)測(cè)井群中檢測(cè)到示蹤劑.截止到2010年7月30日停止取樣時(shí),在整個(gè)示蹤試驗(yàn)的取樣檢測(cè)分析期間,均沒(méi)有從生產(chǎn)井和觀(guān)測(cè)井群中檢測(cè)到示蹤劑.

這可能是因?yàn)榛毓嗨w沒(méi)有流經(jīng)一些開(kāi)放型的、直接聯(lián)系回灌井和生產(chǎn)井的流動(dòng)通道,而是擴(kuò)散、分散到了巖石基質(zhì)中或者是流到了沒(méi)有直接連通回灌井和生產(chǎn)井的裂隙中.

2.2 示蹤劑回收的模擬和解釋

本文基于地?zé)嵯到y(tǒng)中連通生產(chǎn)井和回灌井之間特定流動(dòng)通道的若干假設(shè),對(duì)示蹤劑回收的濃度及出現(xiàn)峰值的時(shí)間進(jìn)行了模擬,對(duì)通道的流體流速和橫截面積進(jìn)行了估計(jì).

(1)示蹤劑運(yùn)移的理論基礎(chǔ)

示蹤劑解釋模型的基本理論是溶質(zhì)在孔隙型/滲透型介質(zhì)中的運(yùn)移理論,包括溶質(zhì)的對(duì)流運(yùn)移、分子擴(kuò)散和機(jī)械彌散運(yùn)移理論.各種不同的溶質(zhì)運(yùn)移模型被用來(lái)對(duì)示蹤試驗(yàn)進(jìn)行分析解釋,圖3所示的簡(jiǎn)單的一維流動(dòng)通道的示蹤劑運(yùn)移模型在解釋地?zé)崽锸聚櫾囼?yàn)時(shí)十分有效.該模型假設(shè)回灌井和生產(chǎn)井之間流動(dòng)通道內(nèi)的水流近似為一維流動(dòng)(圖3).流動(dòng)通道可能是近乎垂直的斷裂帶的一部分,或者是水平夾層的一部分.假設(shè)這些流動(dòng)通道受斷裂邊界的控制,并且流場(chǎng)為線(xiàn)性流.此外,流動(dòng)通道可能是連通回灌井和生產(chǎn)井之間的體積較大的通道,或者是連通回灌井和生產(chǎn)井的多個(gè)通道,例如地?zé)峋g不同給水區(qū)的連通通道[4].

圖3 連通回灌井和生產(chǎn)井的斷裂帶的簡(jiǎn)單模型

此一維流模型中,假設(shè)回灌井的回灌量為定流量q,生產(chǎn)井的出水量為定流量Q.斷裂帶的寬度或者夾層的厚度用b表示,h表示斷裂帶內(nèi)流動(dòng)通道的高度或者夾層內(nèi)的流動(dòng)通道的寬度.則流道的橫截面積可表示為A=h.b.根據(jù)示蹤試驗(yàn)解釋所得A、φ的值,可以估計(jì)得到h和b的值,但是應(yīng)該對(duì)該地區(qū)流道的平均孔隙度以及h和b的比率進(jìn)行假定.結(jié)合流體方程和溶質(zhì)運(yùn)移的質(zhì)量守恒方程,如果在模型中忽略分子擴(kuò)散作用,假設(shè)在t=0 時(shí)刻,瞬時(shí)投入質(zhì)量為M(kg)的示蹤劑,則示蹤劑濃度的求解值為[4]:

D是彌散系數(shù)(m2/s); C是流動(dòng)通道中示蹤劑的濃度值(kg/m3);x是流動(dòng)通道的長(zhǎng)度(m);u是通道中流體的平均流動(dòng)速度(m/s);A是流動(dòng)通道的平均斷面面積(m2);φ是流動(dòng)通道的孔隙度;αL是流動(dòng)通道的縱向彌散系數(shù)(m).

(2)示蹤劑回收的模擬和解釋

本文示蹤劑回收的模擬基于兩個(gè)假設(shè):首先,假設(shè)示蹤試驗(yàn)期間示蹤劑的回收濃度值低于檢測(cè)下限,即40ng/L.這樣,最大可能回收的示蹤劑質(zhì)量大約為7.7X10-3kg,占總的示蹤劑投入量的比例為0.035%,該比例非常的小,可以忽略不計(jì).另一個(gè)假設(shè)是,示蹤劑回收的速度都非常慢,只在試驗(yàn)進(jìn)行的最后一天(即第52天),回收濃度達(dá)到檢測(cè)下限40ng/L.

根據(jù)其他大量地?zé)崽锸聚櫾囼?yàn)的經(jīng)驗(yàn)[5],并結(jié)合區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)條件,本文取縱向彌散度的值分別為0.05x, 0.1x, 0.15x(x 是流動(dòng)通道的長(zhǎng)度)進(jìn)行了模擬計(jì)算.取流動(dòng)通道的長(zhǎng)度為350m(回灌井和生產(chǎn)井之間的直線(xiàn)距離).流體的密度值為983kg/m3.計(jì)算結(jié)果如表1和圖4所示.

表1 基于不同的縱向彌散度由示蹤劑回收模擬模型得出的參數(shù)值

從圖4可以看出,不同的縱向彌散度得出不同的示蹤劑回收濃度的峰值.當(dāng)流動(dòng)通道的縱向彌散度是回灌井和生產(chǎn)井之間距離的0.05倍時(shí),示蹤劑回收濃度的峰值出現(xiàn)的最早.縱向彌散度值越大,峰值出現(xiàn)的時(shí)間越晚.由表1,在不同的縱向彌散度的情況下,流體的平均流速值不大,回灌水沿裂隙和溶隙的運(yùn)動(dòng)速度緩慢.

圖4 示蹤劑回收濃度值在2000天內(nèi)的模擬計(jì)算結(jié)果,基于縱向彌散度分別為17.5m,35m,52.5m的情況,圖中顯示了從長(zhǎng)期來(lái)看,示蹤劑濃度的變化情況

值得注意的是,以上模擬計(jì)算的結(jié)果對(duì)應(yīng)的是最為悲觀(guān)的情景,可以想象實(shí)際濃度值的增加會(huì)比上面的分析結(jié)果要慢的多.因此,回灌井和其周?chē)a(chǎn)井的直接聯(lián)系通道甚至比表1所示的結(jié)果還要弱.這些信息盡管是基于假設(shè)得出的,但可以為今后回灌工程的設(shè)計(jì)提供研究基礎(chǔ),為進(jìn)一步的示蹤試驗(yàn)的實(shí)施提供參考.

3 基于水平裂隙型介質(zhì)模型的熱儲(chǔ)冷卻分析

地?zé)峄毓嘧钍荜P(guān)注的問(wèn)題是熱儲(chǔ)的冷卻,特別是長(zhǎng)期回灌對(duì)熱儲(chǔ)溫度的影響.在示蹤試驗(yàn)的解釋和假設(shè)模擬中,估計(jì)求算了裂隙的橫截面積和孔隙度的乘積,但是由于缺乏裂隙通道數(shù)目以及來(lái)自每條裂隙的示蹤劑回收數(shù)量比例的有效信息,很難非常準(zhǔn)確的基于示蹤試驗(yàn)對(duì)熱儲(chǔ)冷卻的可能性進(jìn)行模擬預(yù)測(cè).

本文為了進(jìn)一步研究回灌井周?chē)叵滤疁囟葓?chǎng)的變化,運(yùn)用水平裂隙型介質(zhì)熱運(yùn)移模型對(duì)由于長(zhǎng)期回灌可能引起熱突破的發(fā)生時(shí)間進(jìn)行分析預(yù)測(cè),獲得了一些半定量化的結(jié)果,為回灌工程設(shè)計(jì)中回灌流量以及回灌井和生產(chǎn)井的合適井間距的選擇提供一定的依據(jù).

(1)水平裂隙型介質(zhì)(N個(gè)水平斷裂帶)模型簡(jiǎn)介

該模型描述了從一個(gè)井內(nèi)注入流體,流體沿著若干大規(guī)模的斷裂帶流動(dòng),每一個(gè)斷裂帶有一個(gè)小的統(tǒng)一均勻的厚度值的情況.其中注入井位于中心位置.為方便考慮,假設(shè)斷裂均為水平狀的,并且向各個(gè)方向無(wú)限延伸.巖石是不透水的,初始溫度為常數(shù)Tr.假設(shè)從時(shí)間t= 0 開(kāi)始向井內(nèi)注入流體,灌入的流體的溫度為常數(shù)T0.假設(shè)作為流動(dòng)通道的斷裂的數(shù)目為N,每個(gè)斷裂的平均流量為Q kg/s,則所求問(wèn)題即為推導(dǎo)出熱儲(chǔ)巖石的溫度場(chǎng)的變化情況[6].

如圖5所示,r表示距離回灌井的輻射距離,y表示距離斷裂處(y=0)的垂直距離.另外,αT表示巖石的熱擴(kuò)散系數(shù),輻射方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)忽略不計(jì).針對(duì)本模型,溫度場(chǎng)的求解方法在方程(2)中給出[6],其中erf()為誤差函數(shù).

圖5 用來(lái)估計(jì)冷鋒面在薄的、非滲透性巖石中水平斷裂帶中熱傳遞速度的示意圖

(2)生產(chǎn)井溫度變化及冷鋒面?zhèn)鞑サ念A(yù)測(cè)

為了比較回灌流量、斷裂帶數(shù)目對(duì)溫度場(chǎng)傳播的影響,用求解公式(2)計(jì)算了不同開(kāi)采量情況下熱儲(chǔ)溫度的變化情況.分別假設(shè)回灌井和生產(chǎn)井之間存在1、3、5條連通通道,對(duì)地?zé)峋某鏊疁囟鹊拈L(zhǎng)期變化進(jìn)行估算,這樣的估算和實(shí)際情況會(huì)有一定的差別,但還是可以提供一些有用的依據(jù).

根據(jù)雄縣地?zé)崽?009-2010年地?zé)峄毓嘣囼?yàn)的實(shí)際情況,盛唐小區(qū)地?zé)岵膳到y(tǒng)的熱量來(lái)自一個(gè)地?zé)釋?duì)井系統(tǒng),其中開(kāi)采井深1250m,回灌井深1500m,兩井相距350m.開(kāi)發(fā)的熱儲(chǔ)為裂隙含水層,年平均開(kāi)采和回灌量為約15kg/s,即將開(kāi)采出來(lái)的地?zé)崴?jīng)供暖利用后全部回灌入同一含水系統(tǒng)中.本文選取研究區(qū)地?zé)峋師醿?chǔ)系統(tǒng)內(nèi)巖石的平均孔隙度為6%.通道長(zhǎng)度取為示蹤試驗(yàn)中回灌井和生產(chǎn)井的井間距350m,熱儲(chǔ)地層中薄的斷裂帶流動(dòng)通道的數(shù)目分別考慮1,3,5三種不同的情況.其次,考慮年平均回灌量和生產(chǎn)量增加為43kg/s時(shí),生產(chǎn)井的溫度變化情況.結(jié)果分別如圖6和圖7所示.

從圖6可以看出,如果熱儲(chǔ)地層中只有一個(gè)裂隙帶作為流動(dòng)通道,在回灌進(jìn)行大約35年之后,生產(chǎn)井開(kāi)采的地?zé)崴臏囟葘㈤_(kāi)始下降,在100年的時(shí)間內(nèi),熱儲(chǔ)溫度將下降1.25℃.若在回灌井和生產(chǎn)井之間可透水的裂隙帶的數(shù)目為3或者5,如圖6所示,當(dāng)回灌流量為15kg/s時(shí),在100年的使用年限之內(nèi),地?zé)峋_(kāi)采的地?zé)崴疁囟榷疾粫?huì)降低.

若年均回灌量和開(kāi)采量增加到43kg/s時(shí),則在一條斷裂帶作為兩井之間直接通道的情況下,生產(chǎn)井的水溫在開(kāi)采5年之后將迅速下降,在47年之內(nèi)會(huì)下降10℃;如果存在3條斷裂帶作為過(guò)水通道,熱儲(chǔ)溫度將緩慢下降,100年之內(nèi)會(huì)下降1℃;若存在5條斷裂帶作為流動(dòng)通道,在100年之內(nèi)熱儲(chǔ)溫度將保持穩(wěn)定(如圖7所示).

圖6 在ST0902井回灌期間,ST0901井溫度冷卻的預(yù)測(cè),基于回灌量為15kg/s

圖7 與圖6相同,但是回灌量為43kg/s

4 結(jié)論

雄縣地?zé)崽?009-2010年在地?zé)峄毓嗥陂g開(kāi)展了示蹤試驗(yàn),試驗(yàn)期間沒(méi)有檢測(cè)到示蹤劑,表明回灌井與其周?chē)x的生產(chǎn)井群之間不存在直接的、開(kāi)放型的流動(dòng)通道.

在兩個(gè)基本假設(shè)的基礎(chǔ)上,對(duì)不同的縱向彌散度情況下,示蹤劑回收濃度峰值出現(xiàn)的時(shí)間以及流體流速進(jìn)行了模擬,結(jié)果同樣表明回灌井與生產(chǎn)井之間聯(lián)系十分微弱,盡管這些信息是在假設(shè)的基礎(chǔ)上得出的,但是可以為更好的分析示蹤試驗(yàn)提供參考.

為了對(duì)進(jìn)一步地?zé)峄毓鄬?shí)施過(guò)程中回灌流量以及回灌井和生產(chǎn)井之間合理井間距的選擇提供一定的依據(jù),運(yùn)用水平裂隙介質(zhì)模型對(duì)長(zhǎng)期回灌可能引起的熱儲(chǔ)冷卻進(jìn)行了分析預(yù)測(cè).基于熱傳遞理論,分析了在輻射流的條件下裂隙巖石地?zé)嵯到y(tǒng)由于回灌所引起的溫度干擾的快慢.它們適合于簡(jiǎn)化的模型,但是表達(dá)了所討論問(wèn)題的主要方面,可以為今后回灌工程的設(shè)計(jì)和管理提供有用的資料.

在今后實(shí)施回灌工程時(shí),需要進(jìn)一步開(kāi)展回灌試驗(yàn)和示蹤試驗(yàn),對(duì)回灌的長(zhǎng)期效果進(jìn)行研究,保證地?zé)豳Y源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用.

[1]劉久榮,王樹(shù)芳.2005.河北省雄縣地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)報(bào)告[R].北京:北京市地質(zhì)工程勘察院.11～12pp.

[2]蔡洪濤,馬敬業(yè),張德忠等,河北省牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽锟辈靾?bào)告[R],河北省地質(zhì)局第三水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì).張家口:河北省地礦局.1990:19～21pp.

[3] Horne, R.N., Modern well test analysis, a computer aided approach (2nded.).Petroway, Inc., USA, 1995:257p.

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[6]Axelsson, G.2010.The physics of geothermal resources and their management during utilization.UNU-GTP, Iceland, Unpublished manuscript:156～161pp.